KOROZE A TECHNOLOGIE POVRCHOVÝCH ÚPRAV Přednáška č. 01: Úvod do koroze Autor přednášky: Ing. Vladimír NOSEK Pracoviště: TUL FS, Katedra materiálu
Původ slova koroze KPU Přednáška 1 Slovo koroze je odvozeno od latinkého slovesa rodo, rodere (=hryzati, hlodati) předponou con-; corrodere tedy znamená rozhlodávat, rozrušovat. Od stejného slovního základu je např. odvozeno substantivum rodentes, což znamená hlodavci. 2
Definice koroze KPU Přednáška 1 Různí autoři definují pojem koroze různě Podle Evanse je koroze rozrušování materiálu způsobené chemicky nebo elektrochemicky, Akimov označuje korozi jako rozrušení kovů působením okolního prostředí, Pollit navrhl definici, že korose je povrchový zjev spočívající hlavně v rozpouštění kovu při jeho styku s elektrolytem, u slitin rozpouštění jedné nebo více jejich součástí. Machu pokládá korozi za rozrušování kovového materiálu nezamýšleným působením chemických agresivních látek na povrch materiálu. Bartoň definuje korozi jako znehodnocení materiálu způsobené chemickým nebo fyzikálně chemickým působením prostředí. 3
Definice koroze (pokrač.) Korozi můžeme definovat jako interakci materiálu s prostředím účinkem převážně chemických nebo elektrochemických dějů, mající za následek, vznik korozních produktů, úbytek materiálu a ztrátu užitných vlastností materiálu. Materiálem mohou být kovy, jejich slitiny i nekovové materiály (sklo, keramika, plasty, atd.) Prostředí může být kapalné, plynné nebo i složitější, kombinované; každé prostředí je do určité míry korozivní. 4
Definice koroze (pokrač.) Často se při definici koroze omezíme na kovové materiály. Definice koroze podle ČSN EN ISO 8044 "Koroze kovů a slitin - Základní termíny a definice" Fyzikálně-chemická interakce kovu a prostředí vedoucí ke změnám vlastností kovu, které mohou vyvolávat významné zhoršení funkce kovu, prostředí nebo technického systému, jehož jsou kov a prostředí složkami. (Pod pojmem kov zde rozumíme i slitiny a jiné kovové materiály) 5
Definice koroze (pokračování) Omezíme-li se na kovové materiály, můžeme pojem koroze definovat jako opak výroby kovů. Jen málo kovů se v přírodě vyskytuje v elementární formě. Jsou to např. drahé kovy jako je zlato, stříbro a platinové kovy, eventuálně i měď. Ostatní kovy se vyskytují ve formě různých sloučenin. Kovy z nich získáváme redukcí, tedy za vynaložení mnohdy značného množství energie. Naproti tomu, koroze kovů je děj opačný, dochází při ní k přeměně kovů na jejich sloučeniny a tento děj probíhá samovolně, tedy za uvolňování energie. 6
Projevy koroze KPU Přednáška 1 Koroze je jev, který je většinou nežádoucí; pouze výjimečně je záměrně využíván; jako příklad lze uvést elektrochemické metody - rozpouštění, leptání či obrábění nebo přípravu prášků z antikorozních ocelí účinkem mezikrystalové koroze. Projevem koroze v její nejmírnější formě je ztráta vzhledových vlastností, např. tzv. nabíhání, výraznější formou jsou korozní úbytky materiálu, ať už rovnoměrné nebo nerovnoměrné a lokální napadení nebo i značné rozrušení materiálu. 7
Klasifikace koroze Korozi můžeme klasifikovat z různých hledisek, např. podle mechanismu (koroze chemická a elektrochemická), podle vzhledu a rozsahu (k. rovnoměrná a nerovnoměrná), podle prostředí (atmosferická, ve vodách, půdní, v průmyslových prostředích), podle dominantního faktoru (např. koroze za únavy, k. za napětí, vysokoteplotní k., atd.). 8
Elektrochemická koroze Elektrochemická koroze probíhá za přítomnosti elektrolytu. Pojem elektrolyt znamená elektricky vodivou kapalinu, v níž transport elektrického náboje je uskutečňován pohybem iontů. Elektrolytem může být roztok iontové sloučeniny v polárním rozpouštědle nebo tavenina iontové sloučeniny. Polárním rozpouštědlem může být látka, která má polární molekuly. Nejběžnějším polárním rozpouštědlem je kapalná voda, jejíž molekuly nejsou lineární, jako je tomu plynné vody, nýbrž vazby O-H svírají úhel 104,45 a kyslík je nositelem záporného náboje, zatímco vodíky nesou záporný náboj. 9
Elektrochemická koroze (pokračování) Dalšími polárními rozpouštědly jsou např. alkoholy, kapalný amoniak aj. Polární molekula rozpouštědla umožňuje disociaci iontů vytrháváním kationtů a aniontů z krystalové mřížky iontové sloučeniny a molekuly rozpouštědla tyto ionty obalují, což se označuje obecně jako solvatace, v konkrétním případě vody jako hydratace iontů. Polární kapaliny jsou typickými rozpouštědly iontových látek, zatímco nepolární rozpouštědla (např. uhlovodíky) jsou typickými rozpouštědly látek s kovalentní vazbou. 10
Chemická koroze Jako koroze chemická je označována koroze za nepřítomnosti elektrolytu. Typickým příkladem chemické koroze je vysokoteplotní oxidace kovů, která je běžně nazývána jako opal, její produkty, tj. oxidy kovů se nazývají okuje a samotná odolnost proti opalu se označuje jako žáruvzdornost (nesměšovat s pojmem žárupevnost, což znamená odolnost proti tečení materialu). 11
Elektrochemická koroze Typickým příkladem elektrochemické koroze je koroze ve vodách a vodných roztocích. Koroze atmosferická je rovněž projevem koroze elektrochemické, neboť probíhá jen za přítomnosti tenké vrstvičky elektrolytu vzniklé kondenzací vodních par z ovzduší. 12
Koroze rovnoměrná a nerovnoměrná Koroze rovnoměrná napadá celý povrch materiálu stejnou rychlostí, kdežto korozní napadení nerovnoměrná napadají různá místa povrchu nejstejně rychle nebo se omezují jen na určitá místa. Rovnoměrné napadení umožňuje po stanovení korozní rychlosti formulovat tzv. korozní přídavky, tak aby součást vyhovovala po stránce mechanické po dobu své předpokládané životnosti. To u nerovnoměrných druhů napadení není možné, neboť lokální napadení může až několikanásobně převyšovat úbytky tloušťky korozí rovnoměrnou a může dojít k destrukci nebo perforaci tělesa byť i hmotnostní úbytek materiálu je nepatrný. 13
Koroze podle vzhledu (habitus koroze) Podle vzhledu a lokalizace napadení hovoříme o korozi skvrnité, důlkové, bodové, podpovrchové, selektivní, mezikrystalové, transkrystalické, extrakční, a o korozních trhlinách a lomech 14
Koroze podle vzhledu (habitus koroze) 15
Korozní faktory KPU Přednáška 1 Korozní odolnost materiálů je ovliňována mnoha faktory. Dělíme je na faktory vnitřní, které jsou určovány materiálem a faktory vnější určované prostředím. K faktorům vnitřním patří chemické složení materiálu, povaha daného kovu či slitiny, struktura, stav povrchu, deformace a tepelné zpracování. K faktorům vnějším patří chemické složení prostředí, tlak, teplota, relativní pohyb materiálu vůči prostředí, abrazní vlivy, mechanické namáhání a jiné formy energie jako záření a ultrazvuk. 16
Návaznost koroze na ostatní vědní disciplíny Koroze a protikorozní ochrana jako vědní disciplína navazuje na chemii fyzikální, anorganickou i organickou, využívá poznatků chemické termodynamiky, chemické kinetiky a elektrochemie. Termodynamika poskytuje informaci o možnosti průběhu chemických reakcí a tedy i korozních dějů. Chemická kinetika poskytuje informaci o rychlosti s jakou tyto děje probíhají. 17
Možnost průběhu koroze Korozní děj popíšeme vratnou chemickou reakcí aa +bb cc + dd, kde A a B jsou výchozí látky (reaktanty), C a D reakční produkty a a,b,c,d příslušné stechiometrické koeficienty (počty molů reagujících látek), konkrétně např. 2Fe(s) + 3/2O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) Kritériem možnosti průběhu uvažované reakce je hodnota ΔG, Gibbsovy energie této reakce. Bude-li za dané teploty a tlaku tato hodnota záporná, bude reakce probíhat v naznačeném směru, tj. zleva doprava, bude-li hodnota kladná, bude reakce probíhat obráceně, tj. zprava doleva a bude-li hodnota nulová, ustaví se rovnováha a dojde k ustálenému stavu. 18
Korozní stavy kovů Jestliže reakce probíhá ve směru od kovu ke kovovým sloučeninám, nastává koroze. Jestliže reakce probíhá ve směru opačném, kovové sloučeniny se rozkládají a kov se uvolňuje, tento jev nazýváme imunita. V případě, že korozní produkty jsou tuhé a spojitě pokrývají povrch, tj. vytvářejí vrstvu která brání přímému kontaktu kovu a prostředí, tato vrstva má ochranné účinky, dochází ke změně korozního mechanizmu a korozní rychlost se významně snižuje. V případě elektrochemické koroze to je - koroze v aktivním stavu korozní produkty jsou rozpustné nebo plynné a neovlivňují průběh koroze - koroze v pasivním stavu korozní produkty tvoří pasivní vrstvu a brzdí korozní děj - koroze v oblasti transpasivity dochází k zániku pasivní vrstvy a koroze se zrychluje 19
Korozní škody - klasifikace - kvantifikace Škodlivý účinek koroze lze vyjádřit formulací korozních škod. Klasifikujeme je na korozní škody přímé, tj. náklady na výrobu a údržbu zařízení a korozní škody nepřímé, tj. následné ekonomické dopady. 20
Korozní škody přímé hodnota znehodnoceného materiálu náklady na projekci, konstrukci a výrobu náklady na opravu a údržbu včetně nákladů na protikorozní ochranu Lze zmínit, zejména tzv. "overdesign" neboli zvýšení tloušťky stěn o korozní přídavky. 21
Korozní škody nepřímé odstavení zařízení (výpadek výroby = nevyrobená produkce) znečištění produktů korozními zplodinami (zejména v chemickém, potravinářském a farmaceutickém průmyslu) ztráta užitečných produktů zařízení) ztráta bezpečnosti a spolehlivosti (v důsledku perforace pokles parametrů zařízení (a z toho plynoucí pokles produkce) 22
Vyčíslení korozních škod KPU Přednáška 1 U jednotlivého výrobku jsou korozní škody snadno zjistitelné, ale je obtížné je sumarizovat, v makroměřítku je odhadujeme. Vyjadřujeme je např. ve formě ztráty materiálu, nejčastěji oceli. Běžně činí v různých státech 5-30% roční výroby oceli. Nevratné ztráty kovu, tj. hmotnost kovu přeměněná na korozní zplodiny po dobu provozu zařízení, se odhadují na 10 až 12% původní hmotnosti. Vratné ztráty, tj. materiál vrácený do výroby ve formě šrotu se odhadují na 10-20 % roční výroby oceli. Celkové ztráty činí tedy 20-30 % roční produkce. 23
Korozní ztráty v České republice V průmyslově vyspělých státech dosahují korozní ztráty 4 až 6 % hrubého domácího produktu. V České republice to znamená, že korozí kovů přicházíme ročně asi o 130 miliard Kč * (minimálně 50x více než škody způsobené požáry**) ČR (v roce 2006): * HDP 3220 mld. Kč ** Přímé škody požáry 1,9 mld. Kč 24
S využitím současných poznatků, lze v průmyslově vyspělých státech předejít minimálně 25% celkových nákladů spojených s korozními ztrátami. V České republice je to minimálně 30 miliard Kč ročně. 25